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主修论文三稿
小型冬枣生熟自动分离装置设计
摘要
该装置由振动盘、冬枣鉴定生熟模块和冬枣分拣大小模块组成。
冬枣输送机构通过振动盘自动输送冬枣；由电动机和槽轮机构提供输送带的传动力。
本设计由可分辨青红的颜色传感器和其他电气设备共同配合作用实现由单片机控制的自动化控制以获得更好的经济效益。
关键词：
振动盘；自动分离；传感器；槽轮机构
Adevicedesignofjujubeautomaticseparation
basedonVibrationplate
ABSTRACT
Thisarticledescribesadevicewhichcanseparatejujubeautomaticlyofdifferentsize,greenorredbasedonVibrationplateanditiscomposedoftwomodulesofjujubeidentificationandsortingofrawandripe.Inthedesignofthejujubetransportmechanism,jujubeistransportedbythevibrationplateautomaticly;Thetransmissionbeltorganizationsarepoweredthroughthemotorandgenevamechanism.ThisdesignbasedonSCMcanbecontroledautomaticlywiththeworkingtogetherofsensorsdistinguishingthecolorofjujubeofgreenandredandotherelectricalequipments.
Keywords:
Vibrationplate;automaticseparation;sensor;genevamechanism
目录
摘要I
ABSTRACTII
1前言
1.1振动盘上料的冬枣生熟大小自动分离装置的特点及研究意义1
1.2国内外发展现状1
1.2.1发展背景1
1.2.2发展现状2
1.3本文完成的主要工作4
2.总体方案设计
2.1机械系统设计5
2.2控制系统设计5
2.3软件系统设计5
2.4小结5
3.机械系统设计
3.1设计要求7
3.2机构选型7
3.2.1振动盘的选择7
3.2.2传感器的选择8
3.2.3电动机的选择10
3.2.3.1工作电动机的选择10
3.2.3.2夹持器电动机的选择11
3.2.4继电器的选择11
3.3机构设计11
3.3.1传动机构的设计11
3.3.1.1整体传动机构设计12
3.2.1.2夹持器传动机构选择12
3.3.2冬枣鉴定生熟模块设计13
3.3.3冬枣分拣大小模块设计13
3.3.4信号放大电路设计14
3.3.5旋转盘轴的设计与校核14
3.3.6夹持器结构设计17
3.4小结18
4.控制系统设计
4.1控制系统框图19
4.2控制系统电路原理图19
4.2.1TCS230颜色识别接口电路原理图19
4.2.2放大电路原理图20
4.2.3继电器驱动电路原理图20
4.2.4工作电动机控制电路原理图21
4.2.5整体控制原理图21
4.3程序框图22
4.4小结23
5.总结25
致谢26
参考文献27
1前言
1.1振动盘上料的冬枣生熟大小自动分离装置的特点及研究意义
冬枣产于鲁北，晚熟口感鲜美。
如若嫁接冬枣，嫁接当年就可以吃到鲜美的冬枣。
10月上中旬便可成熟，它的果实呈圆形，和苹果相差无几。
冬枣树的果实内含有较多的维生素和微量元素。
具有软化血管、防止血管壁脆性增加的功能，对于高血压、动脉粥样硬化患者有。
营养价值为百果之特别高的价值，称之为“百果王”。
目前，冬枣近几年市场供不应求，一般售受广大消费者的欢迎，约售价60元/公斤，货物紧缺时可售价高达360元/公斤。
经济价值特别高。
成熟的冬枣外形圆润，色泽红艳，口感鲜美，营养丰富，然而未成熟的冬枣呈现青色并且口感较差营养较低，因此现在市场上对成熟的冬枣需求量较大。
然而在采摘成熟冬枣过程中不可避免的夹杂些许不成熟的呈现青色的冬枣。
当前完全依靠人工进行分拣区分，劳动强度极大且效率不高，严重影响冬枣的上市和劳动人民的生产生活质量。
因此现在迫切需要一种装置自动完成上述工作以解放劳动力提高工作效率减轻劳动人民的负担。
振动盘上料的冬枣生熟大小自动分离装置是由振动盘、振动盘基础、固定盘、旋转盘、夹持器、漏管、电动机基板、间歇运动上啮合轮、间歇运动下啮合轮、枣箱支架、枣箱组成的。
振动盘上料的冬枣生熟大小自动分离装置是由振动盘进行自动上料，然后在冬枣鉴定生熟模块的作用下，实现对冬枣生熟的自动分离，在冬枣分拣大小模块的作用下实现对冬枣大小的自动分离。
这种自动分离装置，不仅可以提高劳动效率，而且加快产品的上市速度，更能够满足于顾客购买需求的关键。
1.2国内外发展现状
1.2.1发展背景
冬枣主要产于我国北方的河北和山东等地区，定植后可在2到3年内便可以结果，而且产量很高，生育期为125到130天。
冬枣的形状接近圆形，果实比较大，此外，冬枣含有很高的营养物质，普遍称其为“活维生素丸”，包含大于有19种氨基酸，也有较高的含糖量，酸量以及维生素。
不仅如此，冬枣有着很大的医疗功效。
冬枣可以使毛细血管畅通，降低血管壁脆性；也可以有助于高血压等症状，也有防止癌症的功效。
近几年来，在我国市场上的销量很好，往往出现供不应求的现象，价格在60到360元不等，具有很大的经济价值。
成熟的冬枣外形圆润，色泽红艳，口感鲜美，营养丰富，然而未成熟的冬枣呈现青色并且口感较差营养较低，因此现在市场上对成熟的冬枣需求量较大。
然而在采摘成熟冬枣过程中不可避免的夹杂些许不成熟的呈现青色的冬枣。
当前完全依靠人工进行分拣区分，劳动强度极大且效率不高，严重影响冬枣的上市和劳动人民的生产生活质量。
1.2.2发展现状
在最近这几年来，虽然在水果产量方面，我国的产量达到了第一，然而却没有先进的对其质量检查的技术，以至于严重的限制了我国的水果产业。
考虑到水果分拣的生产线较贵，劳动力成本低以及很容易受到季节的影响，在国内的水果分拣领域投入的资金很少。
目前，国内水果分拣主要采取“半机械化+人工分拣”或“全人工分拣”的模式进行。
综观市场和流通环节，国内水果分拣的应用目前还处于初级阶段。
在国内，主要是一些半机械化得传送机构，这些机构只能是进行一些简单的分拣且水平很低，并不能够对水果的品质进行智能识别。
图1.1国产选果机
图1.2国产单面分拣机
上面的分拣机不在电子测重的条件下进行的分拣，即使用的是杠杆原理。
1.3本文完成的主要工作
本文主要有机械系统的设计和控制系统的设计。
机械系统设计包括机构选型和机构设计。
其中机构选型包括振动盘的选择，传感器的选择，工作电动机和夹持器电动机的选择、继电器的选择等；而机构设计包括整体传动机构设计和夹持器传动机构设计、冬枣鉴定生熟模块设计、冬枣分拣大小模块设计、信号放大电路设计、旋转盘轴的设计与校核、夹持器结构设计等。
控制系统设计包括控制系统框图设计，控制系统电路原理图设计和程序框图设计。
其中控制系统电路原理图设计，不仅要包括TCS230颜色识别接口电路原理图、放大电路原理图，而且还包括继电器驱动电路原理图、工作电动机控制电路原理图。
2.总体方案设计
本设计的总体装配图。
1.枣箱2.枣箱支架3.漏管4.螺钉M10X155.固定盘6.旋转盘7.夹持器8.螺钉M5X69.角接触轴承701010.电动机基板11.间歇运动下啮合轮12.电动机13.键6X2614.间歇运动上啮合轮
15.角接触轴承700816.键8X1217.螺栓M14X4518.螺母M1419.螺栓M20X3020.螺母M20
21.振动盘22.振动盘基础
图2.1总体设计图
内夹板2.螺钉M1.6X3.53.弹簧4.传感器基板5.右侧外夹板6.左侧外夹板7.联板8.拉杆
1.
9.底板10.螺钉M2X4.511.盖板12.凸轮13.微型电机14.螺钉M2X415.传感器
图2.2夹持器装配图
2.1机械系统设计
机械系统通常包括原动机系统、传动装置系统、工作系统、固定装置和行走装置组成。
原动机是的种类很多，包括有电动机和内燃机等，主要是机械系统动力的主要来源。
但考虑到本设计的各方面的要求，原动机应该以选择电动机为最佳。
传动装置是一种中间装置，可以实现传递原动机的动力和运动到工作机。
本设计对重量和传动精度要求较高，而且要求传动过程中有一定时间的间歇，所以选择了槽轮机构传动。
工作系统是实现最终工作目的的装置，本设计目的是实现冬枣生熟大小的自动分离。
本设计可通过夹持器的夹持和松开、传感器检测冬枣生熟并控制电动机带动旋转盘的正反方向的旋转及停歇以及漏管上打出不同宽度的孔实现冬枣生熟大小的自动分离。
本设计夹持器的夹持和松开由凸轮机构实现，旋转盘的正反方向的旋转及停歇由槽轮机构实现。
固定装置实现传动系统和工作系统的安置。
2.2控制系统设计
本设计的控制部分包括传感器对于电动机转动控制、旋转盘的正反方向的旋转及停歇控制以及夹持器的夹持和松开控制设计。
控制系统包括TCS230传感器、开关的安置以及传感器、开关和总控制器之间的连接。
本设计中有两个TCS230检测传感器，TCS230传感器可以实现位于夹持器中间的冬枣生熟的检测，从而顺利将成熟和未成熟的冬枣分离开（对于成熟的冬枣和未成熟的冬枣，旋转盘的旋转方向正好相反）；行程开关可实现对旋转盘旋转角度的精确控制等。
2.3软件系统设计
软件系统可实现控制部分的自动实现。
本设计的软件系统主要实现对电动机正反转的控制，以及对各传感器和行程开关的控制。
本设计是采用单片机控制和PLC控制。
2.4小结
本设计是主要是用来分离冬枣生熟大小的装置。
本设计运用了全自动化的控制系
统，用户可通过点击在控制面板上的按钮实现所要求的动作。
本设计对空间和重量要求较高，所以机械系统中对机构、原动机、传动系统的选择尤为重要。
为了实现控制的自动化，本设计对控制系统和软件系统的设计要求也极高。
3.机械系统设计
3.1设计要求
该课题主要拟采用振动盘对倾倒的冬枣进行生熟、大小自动分类，设计的主要技术指标、要求为：
1.应用振动盘对采摘的冬枣进行自动上料；
2.冬枣的分离量为1t/h；
3.对于冬枣上面有红色的部分即判为成熟；
4.允许有一定的误判；
5.220V交流电源。
3.2机构选型
3.2.1振动盘的选择
振动盘，就是指可以把产品按照顺序依次地排列出来，并且和自动组装设备配合，组成一个完整的产品，即一种可以自动加工的辅助送料设备。
在振动盘的料斗下面分别有脉冲电磁铁和一个倾斜的弹簧片，前者可以使料斗做垂直方向的运动，后者可以做扭摆运动。
当把冬枣放在料斗内，因为其受到振动而进行螺旋轨道的上升运动。
在运动过程中，由于经过了轨道筛选和姿态变化，就可以实现冬枣根据工作要求进入加工位置。
自动送料振动盘一般有如下几部分组成：
底盘，送料器和料斗以及控制器，是一种可以实现定向排序的送料机构。
在上料装置中，送料盘可以实现上料流畅且稳定，而且其结构简单，使用也并不难，共做电压为220v的交流电压即可。
随着近几年来，我国自动化水平的提升，其在五金，医药等各个领域得到了普遍的应用。
本次设计振动盘可以根据使用要求（分离量至少为为1t/h，即每分钟1000个）向河北信恒振动盘公司进行订购。
河北永年信恒所生产的振动盘广泛用于电子、电容、制药业、塑料按插件以及五金产品、轻工机械、日用化工等一些可以进行专业生产加工的公司，不仅该公司拥有科学的质量管理体系，而且可为降低客户成本得同时可以提供优质低价保证。
3.2.2传感器的选择
TCS230是一种转换器，该产品由TAOS公司推出，是一种可编程彩色光到频率的转换器。
它在业界是第一个可以有彩色传感器，实现了把硅光电二极管和电流频率转换器在集成的CMOS电路中，而且还可以使一种红绿蓝（RGB）三种滤光器。
TCS230可以与逻辑电路相连，主要是不仅其以数字量的形式输出，主要是其可以以TTL或CMOS逻辑的形式输入。
由于该传感器以数字量的形式输出，并不需要A/D转换电路，因此，可以把电路结构变得非常的简单TCS230的引脚图如下：
图3.1TCS230的引脚图
TCS230的主要特点如下：
●能够实现分辨率较高的光照度；
●色彩的输出频率以及满度的输出频率都可以进行编程调整；
●可直接与微处理器通讯；
●工作电源可以是单电源，其工作电压范围大约为：
2.7Ｖ～5.5Ｖ；
●具备掉电恢复功能；
●当频率为50ｋＨｚ时，其非线性误差大约为0.2％；
●稳定的200ppm／℃的温度系数。
3.2.3电动机的选择
3.2.3.1工作电动机的选择
1.首先需要确定电动机的结构和类型。
根据电动机的具体工作条件和实际需要，Y系列的三相异步电动机一般被用来考虑，并且选用立式的安装结构。
2.确定电动机的转速
本设计要求分离量为1t/h，平均一个冬枣重17.5g
每分钟需要检测分离的冬枣个数至少为：
旋转盘旋转一周可以检测分离4个冬枣，则旋转盘的转速为：
由于本设计要求需要一定时间的间歇，并且在槽轮机构工作过程中电机的运动有一定时间传输不到旋转盘上，所以电机转速要比旋转盘的转速高。
电动机的额定转速选定为300r/min。
3.选择电动机的容量。
工作机伸入伸出所需要的功率P为
（3-1）
式中，
代入上式得
电动机的额定功率可以选取为
，具体通过查训设计手册取
根据上述情况综合分析，本设计选用的电动机为YCT112—4A（0.55KW）型电机，该电动机为江苏新大力电机制造有限公司所制造。
YCT系列电磁调速异步电动机主要由如下几部分组成：
三相异步电动机和测速发电机、电磁转差离合器以及电器控制装置，这种电动机不仅在恒转矩无级调速的机器设备上的运用都很普遍，而且其更适用于变转矩的离心式水泵上，通过阀门的开关开替换转速调节，这样可以来控制压力和流量，以便于能够达到有效的节能。
该电机的特点有：
①可以实现无级调速并且为交流，有自动调节系统所具有的速度反馈功能。
②该电机的结构一点儿也不复杂而且维护也相当的方便。
③调速范围非常的广，几乎是没有失控区。
表3.1电机规格
型号
电机功率
额定转矩
调速范围
转速变化率
YCT112-4A
0.55
3.60
1250-125
≤2.5
图3.2YCT112-4A电动机
3.2.3.2夹持器电动机的选择
1.首先考虑电动机的类型和结构。
根据电动机的实际工作条件，可以优先使用直流电动机。
2.其次选择电动机的容量大小。
夹持器电动机的实际功率Pw为
（3-2）
式中，
代入上式得
由表可知的额定功率应该为
，通过查取设计手册可令
3.确定电动机的转速
旋转盘转1/4转，夹持器电动机需要转一转，则夹持器电动机的转速为：
考虑到功率损失，夹持器电动机的额定转速选为1000r/min
由于本设计的空间比较小，标准电动机的外形较大，所以专门订做外形直径较小的电动机。
3.2.4继电器的选择
本设计需要利用TCS230检测出来的输出信号控制工作电动机，所以继电器是不可或缺的。
本设计中继电器选择松下公司的DS1E－M－DC3V单稳态型继电器。
这种继电器应该在吸合电压为额定电压的75%以下工作，而且释放电压大约在额定电压的10%以上，，线圈电阻22.5Ω，额定动作电流为133.3mA。
此外，AT90LS8535端口输出电流能达到40mA，。
通过加驱动器，可以驱动继电器，其电路如下：
图3.3继电器驱动电路
3.3机构设计
3.3.1传动机构的设计
关于传动方案的选择，我们不仅要考虑工作机的性能要求而且的使其与工作条件相适应。
此外，还的考虑机构的工作可靠性，传动效率以及加工工艺性和机构的经济性也是相当重要的。
3.3.1.1整体传动机构设计
在本设计中，用来传递动力的槽轮机构一般由槽轮和圆柱销构成。
槽轮机构的具体分类有各种各样的形式，包括内啮合，外啮合等，这种机构一般用来将具有连续性转动的主动件的工作状态来转化为间隙性的转动，
槽轮机构一般来讲其结构简单，加工性好，而且有很高的机械效率。
内啮合的槽轮机构与其转臂的方向相同，而外啮合槽轮机构则相反。
槽轮机构可以运用在要求相隔的转过一定的角度，转速较低的场合。
比如说，在转塔车床上的转位机构。
当要求机构连续工作时，一般采用多臂的槽轮机构。
考虑到本设计的间停时间不长，因此可以考虑采用有4条径向槽的槽轮，转臂为两个圆柱销，而且为外啮合的槽轮机构。
图3.4槽轮传动
3.2.1.2夹持器传动机构选择
在本设计中夹持器的动力是由凸轮机构来传递的。
凸轮机构是一种高副机构，主要由从动件，机架以及凸轮组成。
其中凸轮一般为主动件，可以做回转或者是直线运动，是一个具有曲线轮廓的构件。
凸轮机构在各种机械中获得了广泛的运用，主要是因为其可以使从动件具有比较复杂的运动规律，而且其装置的结构也比较紧凑和简单。
在本设计中，由于夹持器在大部分的时候都要求保持夹持，很少有松开的状态。
因此，凸轮的形状见下图：
图3.5凸轮
3.3.2冬枣鉴定生熟模块设计
1——TCS230传感器2——旋转盘3——漏斗4——夹持器
图3.6冬枣鉴定生熟模块设计
冬枣鉴定生熟模块要尽可能准确的判定经过冬枣鉴定生熟模块的冬枣的生熟，以便对下一步的分流打好良好的基础。
对于冬枣生熟的判定，这是一个非常棘手而又充满争议的问题，在此我们可以这样：
对于冬枣上面有红色的部分即判为成熟。
冬枣由振动盘自动上料后进入夹持器中，在经过冬枣鉴定生熟模块时，位于夹持器两侧的TCS230传感器开始工作鉴定冬枣是否成熟，当传感器检测到冬枣没有成熟时，夹持器两侧夹板加紧冬枣，然后电动机带动旋转盘顺时针旋转，由于夹持器固定在旋转盘上，所以夹持器也会随之顺时针旋转，当夹持器旋转90o时，电动机停转，夹持器也会停下，然后夹持器两侧板远离冬枣，冬枣就会落在旋转盘下方的漏斗之中；
当传感器检测到冬枣已经成熟时，夹持器两侧夹板加紧冬枣，然后电动机带动旋转盘逆时针旋转，由于夹持器固定在旋转盘上，所以夹持器也会随之顺时针旋转，当夹持器旋转90o时，电动机停转，夹持器也会停下，然后夹持器两侧板远离冬枣，冬枣就会落在旋转盘下方的漏斗之中。
然后进行下一个冬枣的检测，这样就完成了对冬枣生熟的检测和分离。
3.3.3冬枣分拣大小模块设计
冬枣分拣大小模块是本设计中最终要的结构之一，但是是比较简单的。
本设计要求冬枣分拣大小模块要尽可能准确的判定经过冬枣分拣大小模块的冬枣的大小，并进行自动筛选。
本设计中冬枣分拣大小模块的设计方案是：
在圆管上挖出不同宽度的孔，让流经该圆管的冬枣在相应宽度的孔处漏下，从而实现大小不同冬枣的分离。
图3.7漏管结构设计图
本设计通过采用漏管来分离，利用振动盘的装置将其送到管中，从而可以使冬枣按大小的落到枣箱里面去，这样的话就可以实现冬枣的自动分离。
3.3.4信号放大电路设计
在鉴定冬枣生熟的模块中，首先将两个TCS230传感器的检测结果通过89C51的P1.0引脚来输出信号，而这个信号可以来控制电机的正反转情况，但是电机的控制电压一般比较大，而89C51的管脚输出电压却要求不能超过4.7V，根本就不能够满足设备得真正的需要，因此，必须的要加设放大电路，以及对电压信号进行适当的放大。
放大电路的主要结构为放大器。
一般选用的放大器TI的LM324，由于拥有4路放大器通道，单信号电压范围可以达到3-32V，允许直接接地。
放大电路如下：
图3.8放大电路
3.3.5旋转盘轴的设计与校核
1.分别计算输出轴上的功率P和转速n以及其轴的转矩T，则
（3-3）
2.将45钢作为轴的材料，先将其进行调质处理，然后使用轴。
根据表的数据可知：
硬度：
HBS217～255；抗拉强度极限σb=650MPa；弯曲疲劳强度极限σ1=300MPa；屈服强度极限：
σs=360MPa；。
由表查得[σ-1]b=55MPa。
初步确定轴的直径：
轴输出端的直径可以根据扭转强度来计算：
由公式d=A0
得d=116.76
=25.5675mm，
直径d≤100mm的轴的设计，有一个键槽时，可以将轴径增大5%～7%，所以，轴的直径d0≥1.05d=26.85mm
除此之外，为了使轴的直径跟轴承孔的间隙相互配合，选轴的最小直径可以为30mm。
轴的装配设计如下图3.9所示：
图3.9轴的结构与装配
3.对于滚动轴承的初步的选择，不仅要考虑轴承受到较大的轴向载荷，而且还的分析轴受到较小的径向载荷，所以，可以选择角接触球轴承。
根据工作要求和轴的最小直径选择轴承为7008和7010.所以轴承处轴的直径为40mm和50mm。
间歇运动上啮合轮处的直径为30mm，长度为28mm；最大直径处直径为55mm，轴长为10mm；设计光轴处轴的直径初步确定为45mm，轴长为499mm。
4.零件的周向定位
对于间歇运动的啮合轮通常用平键连接。
根据设计手册查得，平键截面bxh=8mmx7mm,键长为12mm，同时，为了保证其与轴配合对中性较好，可以选择两者的配合为
；同样间歇运动下啮合轮和电机轴的连接，选用平键6mmx5mmx26mm，配合为
。
因此，滚动轴承与其相配合的轴的配合应该是过渡配合
。
（2）轴的强度校核
按照扭转强度校核：
在这次的设计中，轴的全长560mm，其最小的轴颈30mm，45号钢，但是必须先经调质后使用。
轴的扭转强度条件为：
（3-4）
式中：
——扭转切应力，MPa；
T——轴所受的扭矩，N.mm；
——轴的抗扭截面系数，
；
N——轴的转速；r/min；
P——轴的传递功率，kw；
D——计算界面处轴的直径，mm；
——许用扭转切应力，MPa。
由上式得：
（3-5）
查表得
的范围为25MPa～45MPa；
的范围为103～126。
本次设计
取30MPa.则A0=
d>116.76
=25.5675mm
直径为d≤100mm的轴，当其有一个键槽时，轴径可以增大5%～7%，所以，直径d0≥1.05d=26.85mm
本次设计最小轴径为30mm>26.85mm，故满足强度要求。
按弯扭合成强度条件校核
弯扭组合强度条件公式为
σca=
≤[α-1]（3-6）
式中：
σca——轴的计算应力，MPa；
M——轴所受的弯矩，N.mm；
T——轴所受的扭矩，N.mm；
W——轴的抗弯截面系数，
。
代入数值计算σca=
=22.697MPa≤60MPa
经校核合适。
3.3.6夹持器结构设计
本设计要求冬枣到达夹持器中间后，经TCS230传感器检测冬枣的生熟后夹持器再将冬枣夹持住，工作电动机旋转90o以后，工作电动机停止转动，然后夹持器再将冬枣松开，让冬枣进入分拣大小的
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